Ⅰ 原子物理學的歷史
經過相當長時期的探索,直到20世紀初,人們對原子本身的結構和內部運動規律才有了比較清楚的認識,之後才逐步建立起近代的原子物理學。1897年前後,科學家們逐漸確定了電子的各種基本特性,並確立了電子是各種原子的共同組成部分。通常,原子是電中性的,而既然一切原子中都有帶負電的電子,那麼原子中就必然有帶正電的物質。20世紀初,對這一問題曾提出過兩種不同的假設。 1904年,湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分布在一個大小等於整個原子的球體內,而帶負電的電子則一粒粒地分布在球內的不同位置上,分別以某種頻率振動著,從而發出電磁輻射。這個模型被形象的比喻為「果仁麵包」模型,不過這個模型理論和實驗結果相矛盾,很快就被放棄了。
1911年盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎上,提出原子的中心是一個重的帶正電的核,與整個原子的大小相比,核很小。電子圍繞核轉動,類似大行星繞太陽轉動。這種模型叫做原子的核模型,又稱行星模型。從這個模型導出的結論同實驗結果符合的很好,很快就被公認了。
繞核作旋轉運動的電子有加速度,根據經典的電磁理論,電子應當自動地輻射能量,使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變,因而發射光譜應是連續光譜。電子因能量的減少而循螺線逐漸接近原子核,最後落到原子核上,所以原子應是一個不穩定的系統。
但事實上原子是穩定的,原子所發射的光譜是線狀的,而不是連續的。這些事實表明:從研究宏觀現象中確立的經典電動力學,不適用於原子中的微觀過程。這就需要進一步分析原子現象,探索原子內部運動的規律性,並建立適合於微觀過程的原子理論。
1913年,丹麥物理學家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎上,結合原子光譜的經驗規律,應用普朗克於1900年提出的量子假說,和愛因斯坦於1905年提出的光子假說,提出了原子所具有的能量形成不連續的能級,當能級發生躍遷時,原子就發射出一定頻率的光的假說。
玻爾的假設能夠說明氫原子光譜等某些原子現象,初次成功地建立了一種氫原子結構理論。建立玻爾理論是原子結構和原子光譜理論的一個重大進展,但對原子問題作進一步的研究時,卻顯示出這種理論的缺點,因此只能把它視為很粗略的近似理論。
1924年,德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設,以後的觀察證明,微觀粒子具有波的性質。1926年薛定諤在此基礎上建立了波動力學。同時,其他學者,如海森伯、玻恩、狄拉克等人,從另外途徑建立了等效的理論,這種理論就是現在所說的量子力學,它能很好地解釋原子現象。
20世紀的前30年,原子物理學處於物理學的前沿,發展很快,促進了量子力學的建立,開創了近代物理的新時代。由於量子力學成功地解決了當時遇到的一些原子物理問題,很多物理學家就認為原子運動的基本規律已清楚,剩下來的只是一些細節問題了。
由於認識上的局限性,加上研究原子核和基本粒子的吸引,除一部分波譜學家對原子能級的精細結構與超精細結構進行了深入的研究,取得了一些成就外,很多物理學家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上,在相當長的一段時間里,對原子物理未能進行全面深入的研究,使原子物理的發展受到了一定的影響。
20世紀50年代末期,由於空間技術和空間物理學的發展,工程師和科學家們發現,只使用已有的原子物理學知識來解決空間科學和空間技術問題已是很不夠了。過去,人們已精確測定了很多譜線的波長,深入研究了原子的能級,對譜線和能級的理論解釋也比較准確。
但是,對譜線強度、躍遷幾率、碰撞截面等這些空間科學中非常重要的基本知識,則了解得很少,甚至對這些物理量的某些參數只知道其量級。核試驗中遇到的很多問題也都與這些知識有關。因此還必須對原子物理進行新的實驗和理論探討。
Ⅱ 分子原子研究的發展歷史及相關科學家的生平。
1897年湯姆生來發現電子,證明原子有復自雜結構
1896年貝克勒爾發現天然放射性,與皮埃爾·居里和瑪麗·居里夫婦因在放射學方面的深入研究和傑出貢獻,共同獲得了1903年度諾貝爾物理學獎。
1911年,盧瑟福提出原子核式結構模型,1919年發現質子,同時提出中子概念
1934年查德威克發現中子
1934年約里奧-居里夫婦用α粒子轟擊鋁時最早發現人工放射性核素。
1938年哈恩用中子轟擊釉原子核發現原子核裂變
Ⅲ 通過人類認識原子結構的歷史,對科學發展的感想
原子結構模型是科學家根據自己的認識,對原子結構的形象描摹。一種模型代表了人類對原子結構認識的一個階段。人類認識原子的歷史是漫長的,也是無止境的。下面介紹的幾種原子結構模型簡明形象地表示出了人類對原子結構認識逐步深化的演變過程。
道爾頓原子模型 ( 1803 年):原子是組成物質的基本的粒子,它們是堅實的、不可再分的實心球。
湯姆生原子模型 ( 1904 年):原子是一個平均分布著正電荷的粒子,其中鑲嵌著許多電子,中和了正電荷,從而形成了中性原子。
盧瑟福原子模型 ( 1911 年):在原子的中心有一個帶正電荷的核,它的質量幾乎等於原子的全部質量,電子在它的周圍沿著不同的軌道運轉,就像行星環繞太陽運轉一樣。
玻爾原子模型 ( 1913 年):電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速的圓周運動。
電子雲模型 ( 1927 年—— 1935 年):現代物質結構學說。
現在,科學家已能利用電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡拍攝表示原子圖像的照片。隨著現代科學技術的發展,人類對原子的認識過程還會不斷深化。
科學是一個不斷發展的過程,需要一代代人不懈的奮斗。每個理論或者研究成果不代表真理的誕生,但它總使我們向真理更近一步!
Ⅳ 原子結構的發展歷史
德莫克利特認為萬物是由原子構成的, 原子是不能再分的實心小球。
形形色色的原子模型
——原子結構的探索過程
|行星結構模型|中性模型|實心帶電球模型|葡萄乾蛋糕模型|土星模型|太陽系模型|玻爾模型|
從英國化學家和物理學家道爾頓(J.John Dalton ,1766~1844)(右圖)創立原子學說以後,很長時間內人們都認為原子就像一個小得不能再小的玻璃實心球,裡面再也沒有什麼花樣了。
從1869年德國科學家希托夫發現陰極射線以後,克魯克斯、赫茲、勒納、湯姆遜等一大批人科學家研究了陰極射線,歷時二十餘年。最終,湯姆遜(Joseph John Thomson)發現了電子的存在(請瀏覽科技園地「神秘的綠色熒光」)。通常情況下,原子是不帶電的,既然從原子中能跑出比它質量小1700倍的帶負電電子來,這說明原子內部還有結構,也說明原子里還存在帶正電的東西,它們應和電子所帶的負電中和,使原子呈中性。
原子中除電子外還有什麼東西? 電子是怎麼待在原子里的? 原子中什麼東西帶正電荷? 正電荷是如何分布的? 帶負電的電子和帶正電的東西是怎樣相互作用的? 一大堆新問題擺在物理學家面前。根據科學實踐和當時的實驗觀測結果,物理學家發揮了他們豐富的想像力,提出了各種不同的原子模型。
行星結構原子模型
1901年法國物理學家佩蘭(Jean Baptiste Perrin,1870-1942)(左圖)提出的結構模型,認為原子的中心是一些帶正電的粒子,外圍是一些繞轉著的電子,電子繞轉的周期對應於原子發射的光譜線頻率,最外層的電子拋出就發射陰極射線。
中性原子模型
1902年德國物理學家勒納德(Philipp Edward Anton Lenard,1862—1947)(右圖)提出了中性微粒動力子模型。勒納德早期的觀察表明,陰極射線能通過真空管內鋁窗而至管外。根據這種觀察,他在1903年以吸收的實驗證明高速的陰極射線能通過數千個原子。按照當時盛行的半唯物主義者的看法,原子的大部分體積是空無所有的空間,而剛性物質大約僅為其全部的10-9(即十萬萬分之一)。勒納德設想「剛性物質」是散處於原子內部空間里的若干陽電和陰電的合成體。
實心帶電球原子模型
英國著名物理學家、發明家開爾文(Lord Kelvin,1824~1907 )(左圖)原名W.湯姆孫(William Thomson),由於裝設第一條大西洋海底電纜有功,英政府於1866年封他為爵士,並於1892年晉升為開爾文勛爵,開始用開爾文這個名字。開爾文研究范圍廣泛,在熱學、電磁學、流體力學、光學、地球物理、數學、工程應用等方面都做出了貢獻。他一生發表論文多達600餘篇,取得70種發明專利,他在當時科學界享有極高的名望。開爾文1902年提出了實心帶電球原子模型,就是把原子看成是均勻帶正電的球體,裡面埋藏著帶負電的電子,正常狀態下處於靜電平衡。這個模型後由J.J.湯姆孫加以發展,後來通稱湯姆孫原子模型。
葡萄乾蛋糕模型
湯姆遜(Joseph John Thomson,1856-1940)(右圖)繼續進行更有系統的研究,嘗試來描繪原子結構。湯姆遜以為原子含有一個均勻的陽電球,若干陰性電子在這個球體內運行。他按照邁耶爾(Alfred Mayer)關於浮置磁體平衡的研究證明,如果電子的數目不超過某一限度,則這些運行的電子所成的一個環必能穩定。如果電子的數目超過這一限度,則將列成兩環,如此類捱以至多環。這樣,電子的增多就造成了結構上呈周期的相似性,而門得列耶夫周期表中物理性質和化學性質的重復再現,或許也可得著解釋了。
湯姆遜提出的這個模型,電子分布在球體中很有點像葡萄乾點綴在一塊蛋糕里,很多人把湯姆遜的原子模型稱為「葡萄乾蛋糕模型」。它不僅能解釋原子為什麼是電中性的,電子在原子里是怎樣分布的,而且還能解釋陰極射線現象和金屬在紫外線的照射下能發出電子的現象。而且根據這個模型還能估算出原子的大小約10-8厘米,這是件了不起的事情,正由於湯姆遜模型能解釋當時很多的實驗事實,所以很容易被許多物理學家所接受。
土星模型
日本物理學家長岡半太郎(Nagaoka Hantaro,1865-1950)1903年12月5日在東京數學物理學會上口頭發表,並於1904年分別在日、英、德的雜志上刊登了《說明線狀和帶狀光譜及放射性現象的原子內的電子運動》的論文。他批評了湯姆生的模型,認為正負電不能相互滲透,提出一種他稱之為「土星模型」的結構——即圍繞帶正電的核心有電子環轉動的原子模型。一個大質量的帶正電的球,外圍有一圈等間隔分布著的電子以同樣的角速度做圓周運動。電子的徑向振動發射線光譜,垂直於環面的振動則發射帶光譜,環上的電子飛出是β射線,中心球的正電粒子飛出是α射線。
這個土星式模型對他後來建立原子有核模型很有影響。1905年他從α粒子的電荷質量比值的測量等實驗結果分析,α粒子就是氦離子。
1908年,瑞士科學家裡茲(Leeds)提出磁原子模型。
他們的模型在一定程度上都能解釋當時的一些實驗事實,但不能解釋以後出現的很多新的實驗結果,所以都沒有得到進一步的發展。數年後,湯姆遜的「葡萄乾蛋糕模型」被自己的學生盧瑟福推翻了。
太陽系模型——有核原子模型
英國物理學家歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)1895年來到英國卡文迪許實驗室,跟隨湯姆遜學習,成為湯姆遜第一位來自海外的研究生。盧瑟福好學勤奮,在湯姆遜的指導下,盧瑟福在做他的第一個實驗——放射性吸收實驗時發現了α射線。
盧瑟福設計的巧妙的實驗,他把鈾、鐳等放射性元素放在一個鉛制的容器里,在鉛容器上只留一個小孔。由於鉛能擋住放射線,所以只有一小部分射線從小孔中射出來,成一束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強的磁鐵,結果發現有一種射線不受磁鐵的影響,保持直線行進。第二種射線受磁鐵的影響,偏向一邊,但偏轉得不厲害。第三種射線偏轉得很厲害。
盧瑟福在放射線的前進方向放不同厚度的材料,觀察射線被吸收的情況。第一種射線不受磁場的影響,說明它是不帶電的,而且有很強的穿透力,一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進,只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住,稱為γ射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊,從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的,這種射線的穿透力很弱,只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發現的α射線。第三種射線由偏轉方向斷定是帶負電的,性質同快速運動的電子一樣,稱為β射線。盧瑟福對他自己發現的α射線特別感興趣。他經過深入細致的研究後指出,α射線是帶正電的粒子流,這些粒子是氦原子的離子,即少掉兩個電子的氦原子。
「計數管」是來自德國的學生漢斯·蓋革(Hans Geiger,1882-1945))發明的,可用來測量肉眼看不見的帶電微粒。當帶電微粒穿過計數管時,計數管就發出一個電訊號,將這個電訊號連到報警器上,儀器就會發出「咔嚓」一響,指示燈也會亮一下。看不見摸不著的射線就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。人們把這個儀器稱為蓋革計數管。藉助於蓋革計數管,盧瑟福所領導的曼徹斯特實驗室對α粒子性質的研究得到了迅速的發展。
1910年馬斯登(E.Marsden,1889-1970)來到曼徹斯特大學,盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔,做練習實驗,利用熒光屏記錄那些穿過金箔的α粒子。按照湯姆遜的葡萄乾蛋糕模型,質量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質中,而α粒子是失去兩個電子的氮原子,它的質量要比電子大幾千倍。當這樣一顆重型炮彈轟擊原子時,小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質均勻分布在整個原子體積中,也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說,α粒子將很容易地穿過金箔,即使受到一點阻擋的話,也僅僅是α粒子穿過金箔後稍微改變一下前進的方向而已。這類實驗,盧瑟福和蓋革已經做過多次,他們的觀測結果和湯姆遜的葡萄乾蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影響稍微改變了方向,它的散射角度極小。
馬斯登(左圖)和蓋革又重復著這個已經做過多次的實驗,奇跡出現了!他們不僅觀察到了散射的α粒子,而且觀察到了被金箔反射回來的α粒子。在盧瑟福晚年的一次演講中曾描述過當時的情景,他說:「我記得兩三天後,蓋革非常激動地來到我這里,說:『我們得到了一些反射回來的α粒子......』,這是我一生中最不可思議的事件。這就像你對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈,卻被反射回來的炮彈擊中一樣地不可思議。經過思考之後,我認識到這種反向散射只能是單次碰撞的結果。經過計算我看到,如果不考慮原子質量絕大部分都集中在一個很小的核中,那是不可能得到這個數量級的。」
盧瑟福所說的「經過思考以後」,不是思考一天、二天,而是思考了整整一、二年的時間。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮後,他才大膽地提出了有核原子模型,推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型。
盧瑟福檢驗了在他學生的實驗中反射回來的確是α粒子後,又仔細地測量了反射回來的α粒子的總數。測量表明,在他們的實驗條件下,每入射八千個α粒子就有一個α粒子被反射回來。用湯姆遜的實心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角散射,但對大角度散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射,但計算結果表明,多次散射的幾率極其微小,和上述八千個α粒子就有一個反射回來的觀察結果相差太遠。
湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射,盧瑟福經過仔細的計算和比較,發現只有假設正電荷都集中在一個很小的區域內,α粒子穿過單個原子時,才有可能發生大角度的散射。也就是說,原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內。在這個假設的基礎上,盧瑟福進一步計算了α散射時的一些規律,並且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實驗所證實。
盧瑟福提出的原子模型像一個太陽系,帶正電的原子核像太陽,帶負電的電子像繞著太陽轉的行星。在這個「太陽系」,支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說,原子中帶正電的物質集中在一個很小的核心上,而且原子質量的絕大部分也集中在這個很小的核心上。當α粒子正對著原子核心射來時,就有可能被反彈回去(左圖)。這就圓滿地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發表了一篇著名的論文《物質對α和β粒子的散射及原理結構》。
盧瑟福的理論開拓了研究原子結構的新途徑,為原子科學的發展立下了不朽的功勛。然而,在當時很長的一段時間內,盧瑟福的理論遭到物理學家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點是正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求,即無法解釋電子是如何穩定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩定性的困難而未獲成功。因此,當盧瑟福又提出有核原子模型時,很多科學家都把它看作是一種猜想,或者是形形色色的模型中的一種而已,而忽視了盧瑟福提出模型所依據的堅實的實驗基礎。
盧瑟福具有非凡的洞察力,因而常常能夠抓住本質作出科學的預見。同時,他又有十分嚴謹的科學態度,他從實驗事實出發作出應該作出的結論。盧瑟福認為自己提出的模型還很不完善,有待進一步的研究和發展。他在論文的一開頭就聲明:「在現階段,不必考慮所提原子的穩定性,因為顯然這將取決於原子的細微結構和帶電組成部分的運動。」當年他在給朋友的信中也說:「希望在一、二年內能對原子構造說出一些更明確的見解。」
玻爾模型
盧瑟福的理論吸引了一位來自丹麥的年輕人,他的名字叫尼·玻爾(Niels Bohr,1885-1962)(左圖),在盧瑟福模型的基礎上,他提出了電子在核外的量子化軌道,解決了原子結構的穩定性問題,描繪出了完整而令人信服的原子結構學說。
玻爾出生在哥本哈根的一個教授家庭,1911年獲哥本哈根大學博士學位。1912年3-7月曾在盧瑟福的實驗室進修,在這期間孕育了他的原子理論。玻爾首先把普朗克的量子假說推廣到原子內部的能量,來解決盧瑟福原子模型在穩定性方面的困難,假定原子只能通過分立的能量子來改變它的能量,即原子只能處在分立的定態之中,而且最低的定態就是原子的正常態。接著他在友人漢森的啟發下從光譜線的組合定律達到定態躍遷的概念,他在1913年7、9和11月發表了長篇論文《論原子構造和分子構造》的三個部分。
玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像:電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動,離核愈遠能量愈高;可能的軌道由電子的角動量必須是 h/2π的整數倍決定;當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發射也不吸收能量,只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發射或吸收能量,而且發射或吸收的輻射是單頻的,輻射的頻率和能量之間關系由 E=hν給出。玻爾的理論成功地說明了原子的穩定性和氫原子光譜線規律。
玻爾的理論大大擴展了量子論的影響,加速了量子論的發展。1915年,德國物理學家索末菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)把玻爾的原子理論推廣到包括橢圓軌道,並考慮了電子的質量隨其速度而變化的狹義相對論效應,導出光譜的精細結構同實驗相符。
1916年,愛因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)從玻爾的原子理論出發用統計的方法分析了物質的吸收和發射輻射的過程,導出了普朗克輻射定律(左圖為玻爾和愛因斯坦)。愛因斯坦的這一工作綜合了量子論第一階段的成就,把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結合成一個整體。
http://www.ihep.ac.cn/kejiyuandi/shi/050127-paodan/paodan-index.htm
Ⅳ 歷史上研究原子的著名化學科學家。
原子結構發展史
前400年希臘哲學家德謨克列特提出原子的概念。
1803年道耳吞提出原子說。
1833年法拉第提出電解定律,此暗示原子帶電,且電可能以不連續的粒子存在。
1874年司通內建議電解過程被交換的粒子叫做「電子」。
1879年克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發現陰極射線。
1886年哥德斯坦從放電管中發現陽極射線。
1897年湯木生證實陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,並測量出電子的荷質比。e/m=1.7588 × 108 庫侖 / 克
1909年米立坎的油滴實驗測出電子之帶電量,並強化了「電子是粒子」的概念。
1911年拉塞福的α粒子散射實驗,發現原子有核,且原子核帶正電、質量極大、體積很小。其條利用(粒子(即氦核)來撞擊金箔,發現大部分(99.9%)粒子直穿金箔,其中少數成大角度偏折,甚至極少數被反向折回(十萬分之一)。
1913年莫士勒從 X 一射線光譜波長的關系,建立原子序概念。
1913年湯木生之質譜儀測量質量數 , 並發現同位素。
1919年拉塞褔發現質子。其利用α粒子撞擊氮原子核與發現質子 接著又用α粒子撞擊棚 (B) 、氟 (F) 、鋁 (A1) 、磷 (P) 核等也都能產生質子,故推論「質子」為元素之原子核共有成分。
1932年查兌克發現中子。其利用α粒子撞擊鈹原子核
1935年湯川秀樹發現介子理論,這種介子使原子核穩定。
Ⅵ 原子物理的發展史
19世紀,原子物理給史上物理學帶來一片矚光,它的發展也成為物理一個重要的里程碑!了解它的發展,讓我們一起走近…… 原子物理學是研究原子的結構、運動規律及相互作用的物理學分支。它主要研究:原子的電子結構;原子光譜;原子之間或與其他物質的碰撞過程和相互作用。
經過相當長時期的探索,直到20世紀初,人們對原子本身的結構和內部運動規律才有了比較清楚的認識,之後才逐步建立起近代的原子物理學。
1897年前後,科學家們逐漸確定了電子的各種基本特性,並確立了電子是各種原子的共同組成部分。通常,原子是電中性的,而既然一切原子中都有帶負電的電子,那麼原子中就必然有帶正電的物質。20世紀初,對這一問題曾提出過兩種不同的假設。
1904年,湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分布在一個大小等於整個原子的球體內,而帶負電的電子則一粒粒地分布在球內的不同位置上,分別以某種頻率振動著,從而發出電磁輻射。這個模型被形象的比喻為「果仁麵包」模型,不過這個模型理論和實驗結果相矛盾,很快就被放棄了。
1911年盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎上,提出原子的中心是一個重的帶正電的核,與整個原子的大小相比,核很小。電子圍繞核轉動,類似大行星繞太陽轉動。這種模型叫做原子的核模型,又稱行星模型。從這個模型導出的結論同實驗結果符合的很好,很快就被公認了。
繞核作旋轉運動的電子有加速度,根據經典的電磁理論,電子應當自動地輻射能量,使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變,因而發射光譜應是連續光譜。電子因能量的減少而循螺線逐漸接近原子核,最後落到原子核上,所以原子應是一個不穩定的系統。
但事實上原子是穩定的,原子所發射的光譜是線狀的,而不是連續的。這些事實表明:從研究宏觀現象中確立的經典電動力學,不適用於原子中的微觀過程。這就需要進一步分析原子現象,探索原子內部運動的規律性,並建立適合於微觀過程的原子理論。
1913年,丹麥物理學家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎上,結合原子光譜的經驗規律,應用普朗克於1900年提出的量子假說,和愛因斯坦於1905年提出的光子假說,提出了原子所具有的能量形成不連續的能級,當能級發生躍遷時,原子就發射出一定頻率的光的假說。
玻爾的假設能夠說明氫原子光譜等某些原子現象,初次成功地建立了一種氫原子結構理論。建立玻爾理論是原子結構和原子光譜理論的一個重大進展,但對原子問題作進一步的研究時,卻顯示出這種理論的缺點,因此只能把它視為很粗略的近似理論。
1924年,德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設,以後的觀察證明,微觀粒子具有波的性質。1926年薛定諤在此基礎上建立了波動力學。同時,其他學者,如海森伯、玻恩、狄喇克等人,從另外途徑建立了等效的理論,這種理論就是現在所說的量子力學,它能很好地解釋原子現象。
20世紀的前30年,原子物理學處於物理學的前沿,發展很快,促進了量子力學的建立,開創了近代物理的新時代。由於量子力學成功地解決了當時遇到的一些原子物理問題,很多物理學家就認為原子運動的基本規律已清楚,剩下來的只是一些細節問題了。
由於認識上的局限性,加上研究原子核和基本粒子的吸引,除一部分波譜學家對原子能級的精細結構與超精細結構進行了深入的研究,取得了一些成就外,很多物理學家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上,在相當長的一段時間里,對原子物理未能進行全面深入的研究,使原子物理的發展受到了一定的影響。
20世紀50年代末期,由於空間技術和空間物理學的發展,工程師和科學家們發現,只使用已有的原子物理學知識來解決空間科學和空間技術問題已是很不夠了。過去,人們已精確測定了很多譜線的波長,深入研究了原子的能級,對譜線和能級的理論解釋也比較准確。
但是,對譜線強度、躍遷幾率、碰撞截面等這些空間科學中非常重要的基本知識,則了解得很少,甚至對這些物理量的某些參數只知道其量級。核試驗中遇到的很多問題也都與這些知識有關。因此還必須對原子物理進行新的實驗和理論探討。
原子物理學的發展對激光技術的產生和發展,作出過很大的貢獻。激光出現以後,用激光技術來研究原了物理學問題,實驗精度有了很大提高,因此又發現了很多新現象和新問題。射頻和微波波譜學新實驗方法的建立,也成為研究原子光譜線的精細結構的有力工具,推動了對原子能級精細結構的研究。因此,在20世紀50年代末以後,原子物理學的研究又重新被重視起來,成為很活躍的領域。
近十多年來,對原子碰撞的研究工作進展很快,已成為原子物理學的一個主要發展方向。目前原子碰撞研究的課題非常廣泛,涉及光子、電子、離子、中性原子等與原子和分子碰撞的物理過程。與原子碰撞的研究相應,發展了電子束、離子束、粒子加速器、同步輻射加速器、激光器等激光源、各種能譜儀等測譜設備,以及電子、離子探測器、光電探測器和微弱信號檢測方法,還廣泛地應用了核物理技術和光譜技術,也發展了新的理論和計算方法。電子計算機的應用,加速了理論計算和實驗數據的處理。
原子光譜與激光技術的結合,使光譜解析度達到了百萬分之一赫茲以下,時間解析度接近萬億分之一秒量級,空間分辨達到光譜波長的數量級,實現了光譜在時間、空間上的高分辨。由於激光的功率密度已達到一千萬瓦每平方厘米以上,光波電場場強已經超過原子的內場場強,強激光與原子相互作用產生了飽和吸收和雙光子、多光子吸收等現象,發展了非線性光譜學,從而成為原了物理學中另一個十分活躍的研究方向。
極端物理條件(高溫、低溫、高壓、強場等)下和特殊條件(高激發態、高離化態)下原子的結構和物性的研究,也已成為原子物理研究中的重要領域。
原子是從宏觀到微觀的第一個層次,是一個重要的中間環節。物質世界這些層次的結構和運動變化,是相互聯系、相互影響的,對它們的研究缺一不可,很多其他重要的基礎學科和技術科學的發展也都要以原子物理為基礎,例如化學、生物學、空間物理、天體物理、物理力學等。激光技術、核聚變和空間技術的研究也要原子物理提供一些重要的數據,因此研究和發展原子物理這門學科有著十分重要的理論和實際意義。
Ⅶ 原子的發現在整個化學史有什麼意義
1897年,J.J.湯姆遜在研究陰極射線的時候,發現了原子中電子的存在。這打破了從古希臘人那裡流傳下來的「原子不可分割」的理念,明確地向人們展示:原子是可以繼續分割的,它有著自己的內部結構。那麼,這個結構是怎麼樣的呢?湯姆遜那時完全缺乏實驗證據,他於是展開自己的想像,勾勒出這樣的圖景:原子呈球狀,帶正電荷。而帶負電荷的電子則一粒粒地「鑲嵌」在這個圓球上。這樣的一幅畫面,也就是史稱的「葡萄乾布丁」模型,電子就像布丁上的葡萄乾一樣。
但是,1910年,盧瑟福和學生們在他的實驗室里進行了一次名留青史的實驗。他們用α粒子(帶正電的氦核)來轟擊一張極薄的金箔,想通過散射來確認那個「葡萄乾布丁」的大小和性質。但是,極為不可思議的情況出現了:有少數α粒子的散射角度是如此之大,以致超過90度。對於這個情況,盧瑟福自己描述得非常形象:「這就像你用十五英寸的炮彈向一張紙轟擊,結果這炮彈卻被反彈了回來,反而擊中了你自己一樣」。
盧瑟福發揚了亞里士多德前輩「吾愛吾師,但吾更愛真理」的優良品格,決定修改湯姆遜的葡萄乾布丁模型。他認識到,α粒子被反彈回來,必定是因為它們和金箔原子中某種極為堅硬密實的核心發生了碰撞。這個核心應該是帶正電,而且集中了原子的大部分質量。但是,從α粒子只有很少一部分出現大角度散射這一情況來看,那核心占據的地方是很小的,不到原子半徑的萬分之一。
於是,盧瑟福在次年(1911)發表了他的這個新模型。在他描述的原子圖象中,有一個占據了絕大部分質量的「原子核」在原子的中心。而在這原子核的四周,帶負電的電子則沿著特定的軌道繞著它運行。這很像一個行星系統(比如太陽系),所以這個模型被理所當然地稱為「行星系統」模型。在這里,原子核就像是我們的太陽,而電子則是圍繞太陽運行的行星們。
但是,這個看來完美的模型卻有著自身難以克服的嚴重困難。因為物理學家們很快就指出,帶負電的電子繞著帶正電的原子核運轉,這個體系是不穩定的。兩者之間會放射出強烈的電磁輻射,從而導致電子一點點地失去自己的能量。作為代價,它便不得不逐漸縮小運行半徑,直到最終「墜毀」在原子核上為止,整個過程用時不過一眨眼的工夫。換句話說,就算世界如同盧瑟福描述的那樣,也會在轉瞬之間因為原子自身的坍縮而毀於一旦。原子核和電子將不可避免地放出輻射並互相中和,然後把盧瑟福和他的實驗室,乃至整個英格蘭,整個地球,整個宇宙都變成一團混沌。
不過,當然了,雖然理論家們發出如此陰森恐怖的預言,太陽仍然每天按時升起,大家都活得好好的。電子依然快樂地圍繞原子打轉,沒有一點失去能量的預兆。而丹麥的年輕人尼爾斯.玻爾照樣安安全全地抵達了曼徹斯特,並開始譜寫物理史上屬於他的華彩篇章。
玻爾沒有因為盧瑟福模型的困難而放棄這一理論,畢竟它有著α粒子散射實驗的強力支持。相反,玻爾對電磁理論能否作用於原子這一人們從未涉足過的層面,倒是抱有相當的懷疑成分。曼徹斯特的生活顯然要比劍橋令玻爾舒心許多,雖然他和盧瑟福兩個人的性格是如此不同,後者是個急性子,永遠精力旺盛,而他玻爾則像個害羞的大男孩,說一句話都顯得口齒不清。但他們顯然是絕妙的一個團隊,玻爾的天才在盧瑟福這個老闆的領導下被充分地激發出來,很快就在歷史上激起壯觀的波瀾。
1912年7月,玻爾完成了他在原子結構方面的第一篇論文,歷史學家們後來常常把它稱作「曼徹斯特備忘錄」。玻爾在其中已經開始試圖把量子的概念結合到盧瑟福模型中去,以解決經典電磁力學所無法解釋的難題。但是,一切都只不過是剛剛開始而已,在那片還沒有前人涉足的處女地上,玻爾只能一步步地摸索前進。沒有人告訴他方向應該在哪裡,而他的動力也不過是對於盧瑟福模型的堅信和年輕人特有的巨大熱情。玻爾當時對原子光譜的問題一無所知,當然也看不到它後來對於原子研究的決定性意義,不過,革命的方向已經確定,已經沒有什麼能夠改變數子論即將嶄露頭角這個事實了。
在濃雲密布的天空中,出現了一線微光。雖然後來證明,那隻是一顆流星,但是這光芒無疑給已經僵硬而老化的物理世界注入了一種新的生機,一種有著新鮮氣息和希望的活力。這光芒點燃了人們手中的火炬,引導他們去尋找真正的永恆的光明。
終於,7月24日,玻爾完成了他在英國的學習,動身返回祖國丹麥。在那裡,他可愛的未婚妻瑪格麗特正在焦急地等待著他,而物理學的未來也即將要向他敞開心扉。在臨走前,玻爾把他的論文交給盧瑟福過目,並得到了熱切的鼓勵。只是,盧瑟福有沒有想到,這個青年將在怎樣的一個程度上,改變人們對世界的終極看法呢?
是的,是的,時機已到。偉大的三部曲即將問世,而真正屬於量子的時代,也終於到來。
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飯後閑話:諾貝爾獎得主的幼兒園
盧瑟福本人是一位偉大的物理學家,這是無需置疑的。但他同時更是一位偉大的物理導師,他以敏銳的眼光去發現人們的天才,又以偉大的人格去關懷他們,把他們的潛力挖掘出來。在盧瑟福身邊的那些助手和學生們,後來絕大多數都出落得非常出色,其中更包括了為數眾多的科學大師們。
我們熟悉的尼爾斯.玻爾,20世紀最偉大的物理學家之一,1922年諾貝爾物理獎得主,量子論的奠基人和象徵。在曼徹斯特跟隨過盧瑟福。
保羅.狄拉克(Paul Dirac),量子論的創始人之一,同樣偉大的科學家,1933年諾貝爾物理獎得主。他的主要成就都是在劍橋卡文迪許實驗室做出的(那時盧瑟福接替了J.J.湯姆遜成為這個實驗室的主任)。狄拉克獲獎的時候才31歲,他對盧瑟福說他不想領這個獎,因為他討厭在公眾中的名聲。盧瑟福勸道,如果不領獎的話,那麼這個名聲可就更響了。
中子的發現者,詹姆斯.查德威克(James Chadwick)在曼徹斯特花了兩年時間在盧瑟福的實驗室里。他於1935年獲得諾貝爾物理獎。
布萊克特(Patrick M. S. Blackett)在一次大戰後辭去了海軍上尉的職務,進入劍橋跟隨盧瑟福學習物理。他後來改進了威爾遜雲室,並在宇宙線和核物理方面作出了巨大的貢獻,為此獲得了1948年的諾貝爾物理獎。
1932年,沃爾頓(E.T.S Walton)和考克勞夫特(John Cockcroft)在盧瑟福的卡文迪許實驗室里建造了強大的加速器,並以此來研究原子核的內部結構。這兩位盧瑟福的弟子在1951年分享了諾貝爾物理獎金。
這個名單可以繼續開下去,一直到長得令人無法忍受為止:英國人索迪(Frederick Soddy),1921年諾貝爾化學獎。瑞典人赫維西(Georg von Hevesy),1943年諾貝爾化學獎。德國人哈恩(Otto Hahn),1944年諾貝爾化學獎。英國人鮑威爾(Cecil Frank Powell),1950年諾貝爾物理獎。美國人貝特(Hans Bethe),1967年諾貝爾物理獎。蘇聯人卡皮查(P.L.Kapitsa),1978年諾貝爾化學獎。
除去一些稍微疏遠一點的case,盧瑟福一生至少培養了10位諾貝爾獎得主(還不算他自己本人)。當然,在他的學生中還有一些沒有得到諾獎,但同樣出色的名字,比如漢斯.蓋革(Hans Geiger,他後來以發明了蓋革計數器而著名)、亨利.莫斯里(Henry Mosley,一個被譽為有著無限天才的年輕人,可惜死在了一戰的戰場上)、恩內斯特.馬斯登(Ernest Marsden,他和蓋革一起做了α粒子散射實驗,後來被封為爵士)……等等,等等。
盧瑟福的實驗室被後人稱為「諾貝爾獎得主的幼兒園」。他的頭像出現在紐西蘭貨幣的最大面值——100元上面,作為國家對他最崇高的敬意和紀念。
五
1912年8月1日,玻爾和瑪格麗特在離哥本哈根不遠的一個小鎮上結婚,隨後他們前往英國展開蜜月。當然,有一個人是萬萬不能忘記拜訪的,那就是玻爾家最好的朋友之一,盧瑟福教授。
雖然是在蜜月期,原子和量子的圖景仍然沒有從玻爾的腦海中消失。他和盧瑟福就此再一次認真地交換了看法,並加深了自己的信念。回到丹麥後,他便以百分之二百的熱情投入到這一工作中去。揭開原子內部的奧秘,這一夢想具有太大的誘惑力,令玻爾完全無法抗拒。
為了能使大家跟得上我們史話的步伐,我們還是再次描述一下當時玻爾面臨的處境。盧瑟福的實驗展示了一個全新的原子面貌:有一個緻密的核心處在原子的中央,而電子則繞著這個中心運行,像是圍繞著太陽的行星。然而,這個模型面臨著嚴重的理論困難,因為經典電磁理論預言,這樣的體系將會無可避免地釋放出輻射能量,並最終導致體系的崩潰。換句話說,盧瑟福的原子是不可能穩定存在超過1秒鍾的。
玻爾面臨著選擇,要麼放棄盧瑟福模型,要麼放棄麥克斯韋和他的偉大理論。玻爾勇氣十足地選擇了放棄後者。他以一種深刻的洞察力預見到,在原子這樣小的層次上,經典理論將不再成立,新的革命性思想必須被引入,這個思想就是普朗克的量子以及他的h常數。
應當說這是一個相當困難的任務。如何推翻麥氏理論還在其次,關鍵是新理論要能夠完美地解釋原子的一切行為。玻爾在哥本哈根埋頭苦乾的那個年頭,門捷列夫的元素周期律已經被發現了很久,化學鍵理論也已經被牢固地建立。種種跡象都表明在原子內部,有一種潛在的規律支配著它們的行為,並形成某種特定的模式。原子世界像一座蘊藏了無窮財寶的金字塔,但如何找到進入其內部的通道,卻是一個讓人撓頭不已的難題。
然而,像當年的貝爾佐尼一樣,玻爾也有著一個探險家所具備的最寶貴的素質:洞察力和直覺,這使得他能夠抓住那個不起眼,但卻是唯一的,稍縱即逝的線索,從而打開那扇通往全新世界的大門。1913年初,年輕的丹麥人漢森(Hans Marius Hansen)請教玻爾,在他那量子化的原子模型里如何解釋原子的光譜線問題。對於這個問題,玻爾之前並沒有太多地考慮過,原子光譜對他來說是陌生和復雜的,成千條譜線和種種奇怪的效應在他看來太雜亂無章,似乎不能從中得出什麼有用的信息。然而漢森告訴玻爾,這裡面其實是有規律的,比如巴爾末公式就是。他敦促玻爾關心一下巴爾末的工作。
突然間,就像伊翁(Ion)發現了藏在箱子里的繪著戈耳工的麻布,一切都豁然開朗。山重水復疑無路,柳暗花明又一村。在誰也沒有想到的地方,量子得到了決定性的突破。1954年,玻爾回憶道:當我一看見巴爾末的公式,一切就都清楚不過了。
要從頭回顧光譜學的發展,又得從偉大的本生和基爾霍夫說起,而那勢必又是一篇規模宏大的文字。鑒於篇幅,我們只需要簡單地了解一下這方面的背景知識,因為本史話原來也沒有打算把方方面面都事無巨細地描述完全。概括來說,當時的人們已經知道,任何元素在被加熱時都會釋放出含有特定波長的光線,比如我們從中學的焰色實驗中知道,鈉鹽放射出明亮的黃光,鉀鹽則呈紫色,鋰是紅色,銅是綠色……等等。將這些光線通過分光鏡投射到屏幕上,便得到光譜線。各種元素在光譜里一覽無余:鈉總是表現為一對黃線,鋰產生一條明亮的紅線和一條較暗的橙線,鉀則是一條紫線。總而言之,任何元素都產生特定的唯一譜線。
但是,這些譜線呈現什麼規律以及為什麼會有這些規律,卻是一個大難題。拿氫原子的譜線來說吧,這是最簡單的原子譜線了。它就呈現為一組線段,每一條線都代表了一個特定的波長。比如在可見光區間內,氫原子的光譜線依次為:656,484,434,410,397,388,383,380……納米。這些數據無疑不是雜亂無章的,1885年,瑞士的一位數學教師巴爾末(Johann Balmer)發現了其中的規律,並總結了一個公式來表示這些波長之間的關系,這就是著名的巴爾末公式。將它的原始形式稍微變換一下,用波長的倒數來表示,則顯得更加簡單明了:
ν=R(1/2^2 - 1/n^2)
其中的R是一個常數,稱為里德伯(Rydberg)常數,n是大於2的正整數(3,4,5……等等)。
在很長一段時間里,這是一個十分有用的經驗公式。但沒有人可以說明,這個公式背後的意義是什麼,以及如何從基本理論將它推導出來。但是在玻爾眼裡,這無疑是一個晴天霹靂,它像一個火花,瞬間點燃了玻爾的靈感,所有的疑惑在那一刻變得順理成章了,玻爾知道,隱藏在原子里的秘密,終於向他嫣然展開笑顏。
我們來看一下巴耳末公式,這裡面用到了一個變數n,那是大於2的任何正整數。n可以等於3,可以等於4,但不能等於3.5,這無疑是一種量子化的表述。玻爾深呼了一口氣,他的大腦在急速地運轉,原子只能放射出波長符合某種量子規律的輻射,這說明了什麼呢?我們回憶一下從普朗克引出的那個經典量子公式:E = hν。頻率(波長)是能量的量度,原子只釋放特定波長的輻射,說明在原子內部,它只能以特定的量吸收或發射能量。而原子怎麼會吸收或者釋放能量的呢?這在當時已經有了一定的認識,比如斯塔克(J.Stark)就提出,光譜的譜線是由電子在不同勢能的位置之間移動而放射出來的,英國人尼科爾森(J.W.Nicholson)也有著類似的想法。玻爾對這些工作無疑都是了解的。
一個大膽的想法在玻爾的腦中浮現出來:原子內部只能釋放特定量的能量,說明電子只能在特定的「勢能位置」之間轉換。也就是說,電子只能按照某些「確定的」軌道運行,這些軌道,必須符合一定的勢能條件,從而使得電子在這些軌道間躍遷時,只能釋放出符合巴耳末公式的能量來。
我們可以這樣來打比方。如果你在中學里好好地聽講過物理課,你應該知道勢能的轉化。一個體重100公斤的人從1米高的台階上跳下來,他/她會獲得1000焦耳的能量,當然,這些能量會轉化為落下時的動能。但如果情況是這樣的,我們通過某種方法得知,一個體重100公斤的人跳下了若干級高度相同的台階後,總共釋放出了1000焦耳的能量,那麼我們關於每一級台階的高度可以說些什麼呢?
明顯而直接的計算就是,這個人總共下落了1米,這就為我們台階的高度加上了一個嚴格的限制。如果在平時,我們會承認,一個台階可以有任意的高度,完全看建造者的興趣而已。但如果加上了我們的這個條件,每一級台階的高度就不再是任意的了。我們可以假設,總共只有一級台階,那麼它的高度就是1米。或者這個人總共跳了兩級台階,那麼每級台階的高度是0.5米。如果跳了3次,那麼每級就是1/3米。如果你是間諜片的愛好者,那麼大概你會推測每級台階高1/39米。但是無論如何,我們不可能得到這樣的結論,即每級台階高0.6米。道理是明顯的:高0.6米的台階不符合我們的觀測(總共釋放了1000焦耳能量)。如果只有一級這樣的台階,那麼它帶來的能量就不夠,如果有兩級,那麼總高度就達到了1.2米,導致釋放的能量超過了觀測值。如果要符合我們的觀測,那麼必須假定總共有一又三分之二級台階,而這無疑是荒謬的,因為小孩子都知道,台階只能有整數級。
在這里,台階數「必須」是整數,就是我們的量子化條件。這個條件就限制了每級台階的高度只能是1米,或者1/2米,而不能是這其間的任何一個數字。
原子和電子的故事在道理上基本和這個差不多。我們還記得,在盧瑟福模型里,電子像行星一樣繞著原子核打轉。當電子離核最近的時候,它的能量最低,可以看成是在「平地」上的狀態。但是,一旦電子獲得了特定的能量,它就獲得了動力,向上「攀登」一個或幾個台階,到達一個新的軌道。當然,如果沒有了能量的補充,它又將從那個高處的軌道上掉落下來,一直回到「平地」狀態為止,同時把當初的能量再次以輻射的形式釋放出來。
關鍵是,我們現在知道,在這一過程中,電子只能釋放或吸收特定的能量(由光譜的巴爾末公式給出),而不是連續不斷的。玻爾做出了合理的推斷:這說明電子所攀登的「台階」,它們必須符合一定的高度條件,而不能像經典理論所假設的那樣,是連續而任意的。連續性被破壞,量子化條件必須成為原子理論的主宰。
我們不得不再一次用到量子公式E = hν,還請各位多多包涵。史蒂芬.霍金在他那暢銷書《時間簡史》的Acknowledgements裡面說,插入任何一個數學公式都會使作品的銷量減半,所以他考慮再三,只用了一個公式E = mc2。我們的史話本是戲作,也不考慮那麼多,但就算列出公式,也不強求各位看客理解其數學意義。唯有這個E = hν,筆者覺得還是有必要清楚它的含義,這對於整部史話的理解也是有好處的,從科學意義上來說,它也決不亞於愛因斯坦的那個E = mc2。所以還是不厭其煩地重復一下這個方程的描述:E代表能量,h是普朗克常數,ν是頻率。
回到正題,玻爾現在清楚了,氫原子的光譜線代表了電子從一個特定的台階跳躍到另外一個台階所釋放的能量。因為觀測到的光譜線是量子化的,所以電子的「台階」(或者軌道)必定也是量子化的,它不能連續而取任意值,而必須分成「底樓」,「一樓」,「二樓」等,在兩層「樓」之間,是電子的禁區,它不可能出現在那裡。正如一個人不能懸在兩級台階之間漂浮一樣。如果現在電子在「三樓」,它的能量用W3表示,那麼當這個電子突發奇想,決定跳到「一樓」(能量W1)的期間,它便釋放出了W3-W1的能量。我們要求大家記住的那個公式再一次發揮作用,W3-W1 = hν。所以這一舉動的直接結果就是,一條頻率為ν的譜線出現在該原子的光譜上。
玻爾所有的這些思想,轉化成理論推導和數學表達,並以三篇論文的形式最終發表。這三篇論文(或者也可以說,一篇大論文的三個部分),分別題名為《論原子和分子的構造》(On the Constitution of Atoms and Molecules),《單原子核體系》(Systems Containing Only a Single Nucleus)和《多原子核體系》(Systems Containing Several Nuclei),於1913年3月到9月陸續寄給了遠在曼徹斯特的盧瑟福,並由後者推薦發表在《哲學雜志》(Philosophical Magazine)上。這就是在量子物理歷史上劃時代的文獻,亦即偉大的「三部曲」。
這確確實實是一個新時代的到來。如果把量子力學的發展史分為三部分,1900年的普朗克宣告了量子的誕生,那麼1913年的玻爾則宣告了它進入了青年時代。一個完整的關於量子的理論體系第一次被建造起來,雖然我們將會看到,這個體系還留有濃重的舊世界的痕跡,但它的意義卻是無論如何不能低估的。量子第一次使全世界震驚於它的力量,雖然它的意識還有一半仍在沉睡中,雖然它自己仍然置身於舊的物理大廈之內,但它的怒吼已經無疑地使整個舊世界搖搖欲墜,並動搖了延綿幾百年的經典物理根基。神話中的巨人已經開始蘇醒,那些藏在古老城堡里的貴族們,顫抖吧!
Ⅷ 原子學說的理論歷史
我們要了解道爾頓的原子學說的提出,要溯源至古希臘時期的原子學說。古希臘的哲學家留基伯首先提出了關於原子的學說,後經他的學生德謨克利特的進一步發展,形成了歐洲最早的樸素唯物主義的原子論, 宇宙萬物是由世界上最微小的、堅硬的、不可入、不可分的物質粒子構成的,他將這種粒叫作「原子」。他認為,原子在性質上相同,但在形狀大小上卻是多種多樣的。萬物之所以不同,就是由於萬物本身的原子在數目、形狀和排列上各有不同,就是由於萬物本身的原子在數目、形狀和排列上各有所不同。並且認為,原子總在不斷運動,運動是原子本身所因有的性質。無數的原子在空間中不斷運動、互相碰撞而形成世界及其中的事物。月、日、星辰是由原子構成的,甚至人的靈魂也是由原子構成的。由此可見,德謨克利特的原子論論證了世界的物質性,對自然界的本質提出了大膽而有創造性的臆測,比較深刻地說明了物質結構,肯定了運動是物質的屬性,因而具有重要的意義。
德謨克利特的原子論從一開始就受到了柏拉圖和亞里士多德的強烈反對,一直到1650年才由義大利物理學家伽桑狄重新提出並得到了牛頓的支持。那是在義大利物理學家用實驗證明真空可以存在之後的事了,伽桑狄認為原子正是在這種真空中運動。他用原子的形狀和大小說明物質的各種性質:如熱是由微小的圓形原子引起的;冷是帶有鋒厲稜角的角錐形原子產生的,所以嚴寒使人產生刺痛感等等。波義耳也有類似的觀點,他認為構成自然界的材料是一些細小密集、用物理方法不可分割粒子。粒子結合成更大的粒子團,是參加化學反應的基本單位,其大小和形狀決定物質的物理性質。 各種物質的原子,它們各自的形狀、大小、重量一定是相同的,不同物質的原子,其形狀、大小及重量必不相同。為此,他曾經作出這樣的推理:假如水的某些原子比其他的水原子重,再假如某一體積的水恰恰由這些較重的水原子組成,那麼這一體積的水的比重必然較其他水的比重要大(這顯然與事實不符,因為我們知道無論從什麼地方得來的純水的比重都是相同的)。由此及彼,其他物質也是如此。道爾頓又指出,不同氣體的原子的大小必然各異。他說,如果將一體積氮與一體積氧進行化合,則會生成二體積的氧化氮,這二體積的氧化氮的數目一定不能多於一體積氮或氧的原子數。因此,他說氧化氮的原子一定比氧、氮的原子大。
在這這種見解的基礎上,道爾頓為了進一步解釋一種氣體擴散於他種氣體的理由以及混合氣體的壓力問題,他又提出:同一化學物質的原子相互排斥。道爾頓又推理說,當兩種有彈性的流體混合在一起時,同一種微粒相互排斥,但並不排斥另一種微粒,因此,加在一個微粒上的壓力,完全來自與它相同的微粒。由此,他解釋了他的分壓定律。正如他的一位朋友所說的那樣,一種氣體對別的任何氣體來說都是一種真空。
以後,道爾頓進一步考慮到對各種原子的相對質量進行測量的問題,雖然進行了許多研究工作,但是依據當時的水平所測得的原子量是很不準確的,甚至無法計算各種元素的原子量,因而他不得不作了一些大膽的猜測和假設。他首先為復雜原子進行了命名:二元化合物、三元化合物和四元化合物。然後,他又很武斷地作出了這樣的結論:如果兩種元素彼此化合,其化合時則遵循從最簡單的方式開始,其層次分為4個。道爾頓又據以上原則,以氫原子量為1,以此作為標准,規定了其他元素原子的相對質量。
道爾頓確定的化合物組成的規則是沒有什麼科學依據的,不能不說是過於主觀、隨意和武斷之舉。因此,很多化合物復雜原子的組成被他弄錯了,比如水是H2O,而他誤作HO,隨之氧的原子量也就錯了。
1803年,10月18日,道爾頓在曼徹斯特的學會上第一次宣讀了他的有關原子論的論文。論文中說了如下幾個原子論的要點:
1元素的最終組成稱為簡單原子,它們是不可見的,既不能創造,也不能毀滅和再分割,它們在一切化學變化中本性不變。
2同一元素的原子,其形狀、質量及性質是相同的;不同元素的原子則相反。每一種元素以其原子的質量為其最基本的特徵(此點乃道原子論的核心)。
3不同元素的原子以簡單數目的比例相結合,形成化合物。化合物的原子稱為復雜原子,其質量為所含各元素原子質量的總和。同一種復雜原子,其形狀、質量及性質也必然相同。
至此,道爾頓完成了提出原子論的歷史使命,由於該學說解決了很多化學基本定律的解釋,所以很快為化學界所接受。
Ⅸ 原子發現史
古希臘人最早發現原子
早在2500多年以前,古希臘人留基伯就已經提出了原子的概念,他是『德謨克利特』的老師。留基伯是率先提出原子概念的人,他認為萬物由原子構成。
他的學生『德謨克利特』更加系統完整的解釋了原子。他認為萬物的本原或根本元素是「原子。「原子」在希臘文中是「不可分」的意思,德謨克利特用這一概念來指稱構成具體事物的最基本的物質微粒。原子的根本特性是「充滿和堅實」,即原子內部沒有空隙,是堅固的、不可入的,因而是不可分的。德謨克利特認為原子在數量上是無限的;原子處在不斷的運動狀態中,它的惟一的運動形式是「振動」;原子的體積微小,是眼睛看不見的
近代發展
1803年,英國物理學家約翰.道爾頓提出近代原子說。
1833年,英國物理學家法拉第提出法拉第電解定律,表明原子帶電,且電可能以不連續的粒子存在。
1874年,法國的司通內建議電解過程被交換的粒子叫做電子。
1879年,克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發現陰極射線。
1886年,哥德斯坦從放電管中發現陽極射線。
1897年,英國物理學家湯姆生證實陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,並測量出電子的荷質比,e/m=1.7588×108 庫侖/克 。
1909年,美國物理學家密立根的油滴實驗測出電子之帶電量,並強化了「電子是粒子」的概念。
1911年,英國物理學家盧瑟福進行的α粒子散射實驗發現原子有核,且原子核帶正電、質量極大、體積很小。其條利用(粒子(即氦核)來撞擊金箔,發現大部分(99.9%)粒子直穿金箔。
Ⅹ 通過人類認識原子結構的歷史,對科學發展的感想
原子結構模型是科學家根據自己的認識,對原子結構的形象描摹.一種模型代表了人類對原子結構認識的一個階段.人類認識原子的歷史是漫長的,也是無止境的.下面介紹的幾種原子結構模型簡明形象地表示出了人類對原子結構認識逐步深化的演變過程.
道爾頓原子模型 ( 1803 年):原子是組成物質的基本的粒子,它們是堅實的、不可再分的實心球.
湯姆生原子模型 ( 1904 年):原子是一個平均分布著正電荷的粒子,其中鑲嵌著許多電子,中和了正電荷,從而形成了中性原子.
盧瑟福原子模型 ( 1911 年):在原子的中心有一個帶正電荷的核,它的質量幾乎等於原子的全部質量,電子在它的周圍沿著不同的軌道運轉,就像行星環繞太陽運轉一樣.
玻爾原子模型 ( 1913 年):電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速的圓周運動.
電子雲模型 ( 1927 年—— 1935 年):現代物質結構學說.
現在,科學家已能利用電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡拍攝表示原子圖像的照片.隨著現代科學技術的發展,人類對原子的認識過程還會不斷深化.
科學是一個不斷發展的過程,需要一代代人不懈的奮斗.每個理論或者研究成果不代表真理的誕生,但它總使我們向真理更近一步!